第 1 章 绪 论
1.1 引言
工业机器人又被称为工业操作手、机器人操作臂等，是一种在三维空间内通过编程控制进行仿人操作完成各种目标作业的机电一体化设备[1]。它具有高自动化和智能化，通过计算机编程能够自动实现目标操作，具有良好的可靠性、快速的反应力和庞大的信息存储、处理能力。工业机器人的诞生是由于生产实际的需要[2]。本课题针对某异形体在拆卸、抓取以及搬运过程中需要靠手工操作，费时费力，劳动生产率也不高，且容易发生人身事故的难题，设计一种专业工业机器人替代人力完成此项工作，既能保证此项工作的精度和目标物不可划伤等诸多要求，又可提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。因此，本课题的研究是在理论分析的基础上以解决实际问题为目标，具有一定的研究价值。
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1.2 选题背景
近年来，劳动力短缺和大幅上升的生产成本使得中国制造业已经不可能重走以劳动密集型、低成本制造为特征的“世界工厂”的老路。而在全球范围内，以英德法意为代表的欧盟以“新工业革命”为战略发展核心，美国强力推行“再工业化”高端制造发展战略，日本进一步丰富和发展了“科技立国”战略，一波全球性的技术革新浪潮就要来临。以智能机器人制造为主导的制造模式变革将是制造业转型升级的必经之路。上世纪二十年代，美国研究者 G.C.Devod 在前人极具想象力的科学幻想的基础上为机器人赋予真实的躯体，初代的机器人仅能够执行一些简单的命令，例如升降和回转动作。此后，机器人开始展现出其优越性，在各行各业蔓延开来。回首整个二十世纪，随着工业自动化的发展，机器人学逐渐成为一门迅速发展的综合性前沿学科,并得到了快速发展。在锻造加工、铸造冲压、金属焊接、产品装配、机械加工等各个行业，特别是在笨重、高温、剧毒、危险、放射性、多粉尘等恶劣的劳动环境中,工业机器人由于其显著的优点而受到特别重视。作为整个工业自动化的杰出代表，工业机器人是上世纪机械行业迅猛发展的缩影，推动了工业自动化、伺服驱动、仿生学、光电传感等技术的研究，辐射了整个生产加工制造产业[36]。本课题来源于实际工程项目“XXX 开发及实验研究”。主要设计完成对某异形体进行抓取搬运的工业机器人，特别避免目标在拆卸、抓取以及搬运过程中产生表面划痕、变形、脱落，立足于实际现场工作环境，提出基于实际、易于操作、安全性高、可靠性强的专用工业机器人，希望能够为此问题的解决提供出较合理的方案。
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第 2 章 异形体抓取机器人总体设计方案
2.1 引言
识别目标并快速、平稳、准确的抓取目标、完成目标搬运任务是抓取机器人最核心的功能。合理的自由度、充足的工作空间、一定的承载力和稳定性是完成此项功能的基本要求。在对异形体抓取机器人进行设计时，必须先明确所要抓取异形体的形状、尺寸和重量，规定手爪动作，设计合理的手爪结构，在兼顾通用性和专用性的基础上，进而完成整体构件的设计和抓取方案的确立，实现机器人的模块化。机器人机构包含腰部和机座、手臂，手腕和手爪等部分，是由顺次相连的一系列的连杆组成开式链。决定相邻连杆之间的连接关系的构件被称为运动副[25]。下面分别就总体方案，腰部以及机座、手臂、手腕和手爪的结构设计进行分析介绍。
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2.2 总体方案设计
在实际场所中，机械结构的总体设计取决于其特定的工作要求，对于工业机器人亦是如此。工业机器人的设计理念是确保在恶劣的工作环境中，每个组件能够满足生产要求，完成生产运作。各种突发工况在设计环节和实际工作中很难被预测[26]，所以总体方案的设计要全面、均衡的考虑整个机械结构的合理性和可靠性。本文抓取的异形体尺寸形状，如图 21 所示。异形体为圆弧状，最大曲率半径为 750mm，长度为 1500mm，重量为 20kg。异形体由三层不同材料构成，最里层为钢板，外两层为特殊材料，要求材料表面在抓取过程中不可划伤，不可在表面有过大压力导致变形，不可安置大型辅助抓取器具，并且由于材料带有孔隙不能使用吸附式手爪。目标上有 4 个孔，每个孔由两部分组成，特殊材料上为直径 8mm 的光孔，贯通两层特殊材料。钢板上为直径 3mm的螺纹孔，贯通钢板。光孔与螺纹孔轴线共线，如图 22 所示。直角坐标型机器人末端空间位置的改变是通过三个移动关节来实现的，三个关节轴线相互垂直，其优点是结构刚度大，运动相互独立，没有耦合、运动学求解简单，不产生奇异状态。缺点是工件装卸受到限制，所需活动空间较大，动作范围较小，灵敏度较低。圆柱坐标型机器人是通过两个移动关节和一个转动关节实现手部空间位置的改变的，优点是位置精度较高，工作定位比较直观，动作范围大，控制简单。缺点是手臂收回时抓取物可能与工作空间内的其他物体相碰，移动关节不易防护。
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第 3 章 抓取机器人运动学分析与仿真..... 15
3.1 引言 ........ 15
3.2 机器人运动学求解的数学基础 .... 15
3.3 机器人运动学分析 .... 20
3.4 机器人运动学仿真 .... 25
3.5 工作空间 ..... 31
3.6 本章小结 .... 39
第 4 章 抓取机器人力学建模及仿真分析........ 34
4.1 引言 ........ 34
4.2 静力学分析 ...... 34
4.3 动力学分析 ...... 35
4.4 本章小结 ..... 45
第 5 章 抓取机器人结构有限元分析.... 46
5.1 引言 ........ 46
5.2 有限元分析方法 ........ 46
5.3 机器人结构静态分析 ..... 48
5.4 机器人结构的模态分析 ...... 54
5.5 本章小结 ..... 56
第 5 章 抓取机器人结构有限元分析
5.1 引言
常用的衡量机械结构可靠性的概念有三个：强度、刚度、稳定性。强度代表结构在外力作用下抵抗永久变形和失效的能力，刚度代表该结构在外力作用下抵抗弹性变形的能力，稳定性代表该结构在负载作用下维持其平衡状态的能力。强度和稳定性都代表结构的极限承载能力，抵抗刚度为零的状态。因此，借助刚度这一概念，强度和稳定性在一定范围内可以统一。机器人刚度是指在外力的作用下机器人结构抵抗弹性变形的能力强弱。机器人动态性能和定位精度都直接受机器人刚度影响。作为机器人结构设计的重要环节，机器人刚度和机器人所受负载决定了机器人末端位置的变形量，直接影响机器人定位精度，因此对于机器人刚度的研究很有必要，本章将对异形体抓取机器人整体和关键联接部件的刚度展开研究。在工程领域，许多问题的求解受结构形状、负载或者待解决问题具有非线性等难点困扰，导致很难利用解析法直接求出其精确解，诸如机器人的动力学分析，结构的应力场、速度场分析，流体力学中的流体分析等，都能以某种方式归结于在已知边界条件的基础上求解相关方程，但是几乎无法求得问题的真实解析解。在这种情况下，为了获得这些问题的分析结果，必须进行个别分析。一种方法是简化方程或几何边界问题，将问题简单化，使得问题在简化条件下得以解决。但这种方法不一定可行，简化的对象与之前对象相比可能有较大区别，甚至导致得到更大的误差。另一种方法是利用目前不断增长的计算机技术，使用数值解析法来解决复杂的工程问题，以得到近似解[44,45]。随着计算机计算能力和运行速度的提升，以有限元法为代表的数值分析法已经成为解决工程问题不可或缺的研究方法。
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结 论
本文来源实际工程项目“XXX 开发及实验研究”，主要设计完成对某异形体进行抓取及搬运任务的工业机器人。针对目标物不易抓取、拆卸、搬运以及材料较为特殊的特点，提出抓取方案，并对设计出的异形体抓取机器人进行分析，以期能为 XXX项目的后续实际制造应用提出较合理的设计方案。本文主要结论如下：
(1) 在机构形式方面，根据异形体形状、尺寸、材料以及抓取机器人所要求的基本功能，确定机器人主体结构采用圆柱坐标系形式、驱动方案以电动式方式为主，材料构成以结构钢和铝合金作为主体，重点对手爪形式和抓取方案进行设计，并完成机座、腰部、手臂、手腕的设计和三维建模；
(2) 在运动学分析方面，就运动学正问题和运动学逆问题分别讨论。采用 D-H法对异形体抓取机器人建立连杆坐标系，求出连杆变换矩阵，根据各关节变量求解机器人末端位姿。在运动学逆问题分析中，采用代数法求解，并利用 MATLAB 中的Robotics Toolbox 对所求运动学方程进行验证，并完成运动轨迹规划。
(3) 在力学分析方面，主要包括对其进行静力学分析和动力学分析。在考虑重力的情况下，应用 MATLAB 数值法对其进行静力学和动力学分析，求出关节所需驱动力和驱动力矩，并通过 Adams 虚拟样机法验证其正确性。
(4) 在可靠性分析方面，主要包括静态分析和模态分析。应用 ANSYS 有限元分析软件，针对机器人整体结构进行了静态分析，得到各部件的应力分布并对应力较大部位提出优化方案；重点对机器人手爪关键螺纹联接部位进行理论核算，证明所设计方案安全可靠；对机器人整体进行模态分析，并对其低阶频率下振动形态进行研究，为理论设计向实际应用过渡做好铺垫。
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参考文献（略）